专利名称：包埋碳纤维的加热纸及其片状加热器的制作方法
背景技术：
1.发明领域本发明涉及一种加热纸及其片状加热器，更具体地涉及包埋碳纤维的加热纸及其片状加热器。
2.现有技术说明由于片状加热器用电，很容易在不污染空气并且不制造噪音的条件下控制片状加热器的温度。因此片状加热器广泛地应用于加热席和加热垫、加热被、加热床垫、加热毯，以及住宅和公寓的加热系统。另外，片状加热器也广泛应用于商业、工业、公共、军用、农用设施的加热系统。另外，片状加热器还用于各种用途，包括商用和家用加热及干燥系统、道路及停车厂的防冻和融雪系统、休闲和防冷的能加热的产品、镜子和窗玻璃的防雾系统，以及健康辅助系统等，但不局限于此。
耐用的加热丝如镍铬合金丝通常用于所述片状加热器。但应用耐用加热丝的片状加热器的主要问题是其可靠性，因为全部电流通常由单一的连续丝负载。整个耐用加热丝的任意一处断开均会使整个片状加热器无法操作。另外，所述加热丝应该包覆有电绝缘体以防止短路。但因为电绝缘体通常也是热绝缘体，利用经过电绝缘处理的耐用加热丝的片状加热器的加热效率实际上被降低了。
另外，利用耐用加热丝的片状加热器上的温度分布是不均匀的，这是因为在所述片状加热器中加热仅限于所述加热丝附近。另外，利用耐用加热丝如镍铬合金丝的片状加热器不适合于辐射加热，这是因为金属具有低的远红外辐射发射率，并且具有低的将电能转化为辐射热的效率。
发明概述本发明涉及包埋碳纤维的加热纸，其中对碳纤维的直线排列进行控制，使所述加热纸的纵向及横向具有不同的加热特性，从而可以利用所述加热纸获得具有不同加热特性的片状加热器。本发明还涉及由包埋碳纤维的加热纸构成的片状加热器，所述加热纸中分散有导热陶瓷纤维、粉末或者它们的混合物，从而改进所述片状加热器的加热特性及可靠性。本发明另外涉及由所述包埋碳纤维的加热纸构成的片状加热器，针对所述加热器，导热陶瓷纤维、粉末或者它们的混合物分散在层压到所述加热纸上的聚合物涂层中，以改进所述片状加热器的加热效率和长期可靠性。
附图简要说明
图1是包埋碳纤维的加热纸的俯视图。
图2是图1所示的包埋碳纤维的加热纸的横断面视图。
图3为带有电极的包埋碳纤维的加热纸的俯视图，所述电极安装在所述加热纸的纵向边缘上。
图4为带有电极的包埋碳纤维的加热纸的俯视图，所述电极安装在所述加热纸的横向边缘上。
图5为其中陶瓷纤维与碳纤维一起分散的包埋碳纤维的加热纸的俯视图。
图6为图5所示的包埋碳纤维的加热纸的横断面视图。
图7为其中陶瓷粉末与碳纤维一起分散的包埋碳纤维的加热纸的俯视图。
图8为图7所示的包埋碳纤维的加热纸的横断面视图。
图9是应用所述包埋碳纤维的加热纸制造的片状加热器的示意图。
图10为图9所示的片状加热器的横断面视图。
图11为其中陶瓷纤维分散在聚合物涂层中的片状加热器的横断面视图。
图12为其中陶瓷粉末分散在聚合物涂层中的片状加热器的横断面视图。
优选实施方案的描述图1和图2分别给出了构成本发明的包埋碳纤维的加热纸的俯视图和横断面视图。在所述包埋碳纤维的加热纸中，直径为5-50μm、长度为0.5-20mm的碳纤维(1)沿所述加热纸的纵向以优选的直线排列方式分散在纸浆(2)中。
对于所述包埋碳纤维的加热纸来说，应用纸浆而不是聚合物作为基材来分散碳纤维。与升高温度时会软化的聚合物如氟代烃、聚酯、聚乙烯、PVC以及聚丙烯相比，纸浆不会软化。因此与应用聚合物作为基材的片状加热器相比，应用纸浆作为基材来分散碳纤维的片状加热器可以在更高的温度下使用。另外，由纸浆构成的纸比由聚合物构成的纸具有更高的强度。
在本发明中，利用碳纤维作为所述加热纸的导电填料。与球状碳黑粉末相比，当分散于纸浆中时，长度比直径长得多的碳纤维可以更容易地相互接触。因此分散在纸浆中的碳纤维的量可以在很大范围内变化，从而容易制造具有不同加热特性的包埋碳纤维的加热纸。
所述包埋碳纤维的加热纸的片电阻率取决于加热纸中碳纤维(1)与纸浆(2)的比，同时也取决于加热纸的厚度。作为本发明的一个实施例，针对40μm厚的加热纸，可以通过控制碳纤维的量，将沿着所述加热纸纵向的片电阻率调节为2-1200Ω/□。
图3描述了所述包埋碳纤维的加热纸的俯视图，其中电极(3)安装在所述加热纸的纵向边缘，从而向所述加热纸施加电压，图4给出了包埋碳纤维的加热纸的俯视图，其中电极(3)安装在所述加热纸横向边缘上。
所述加热纸的加热特性取决于所述加热纸的片电阻率、电极(3)间的距离(4)以及施加在电极(3)上的电压。为了制造具有不同加热特性的各种片状加热器，需要具有不同加热特性的加热纸，而这一点可以通过调节加热纸中碳纤维的含量、电极(3)间的距离(4)、以及施加在电极(3)上的电压来实现。
但即使不改变电极(3)间的距离和施加在电极(3)上的电压，也可以利用所述加热纸如本发明通过控制所述加热纸中碳纤维的直线排列来制造具有不同加热特性的片状加热器。控制所述加热纸中碳纤维的直线排列使沿着所述加热纸纵向的片电阻率与沿着所述加热纸横向的片电阻率不同。
对于其中碳纤维的直线排列按照本发明进行控制的加热纸来说，与横向相比，纵向上的碳纤维相互之间有更多的接触。因此所述加热纸沿其纵向的片电阻率低于其横向值，从而在纵向上有更高的加热能力。随着所述碳纤维直线排列程度的增加，所述加热纸沿其纵向的片电阻率随着其沿横向的片电阻率的增加变得更低，这使得沿其纵向和横向的加热能力的差异变得更大。
作为本发明的一个实施例，通过控制碳纤维的直线排列程度，沿横向的片电阻率与沿纵向的片电阻率的比可以在1.1-3.5的范围内变化。例如当横/纵向片电阻率的比为3.5时，检测本发明的实施例，三种加热纸沿其纵向的片电阻率为148.0Ω/□、60.4Ω/□和13.5Ω/□。
片状加热器通常应用所述加热纸沿其纵向或横向一个方向的加热特性来制造。但对于其中需要不同加热特性的某些其它应用来说，也可以只应用所述加热纸正常方向的加热特性，来制造具有不同加热能力的片状加热器。因此参照本发明，通过控制其中碳纤维的直线排列使所述加热纸的纵向和横向具有不同的加热特性，从而利用所述加热纸可以很容易地制造具有不同加热特性的片状加热器。
图5、图6、图7和图8给出了本发明包埋碳纤维的加热纸的另一种实施方案，其中具有高热导率的陶瓷纤维与碳纤维一起分散。
在微观尺度下，在所述包埋碳纤维的加热纸中碳纤维的分散可能是不均匀的，如图1所示的放大视图。对应用包埋碳纤维的加热纸制造的片状加热器来说，当电流只流过所述加热纸的碳纤维时，通过碳纤维的焦耳加热(Joule heating)产生热。因此，当向所述加热纸施加电压时，碳纤维含量高的区域的温度要比碳纤维含量低的区域的温度高得多。为了应用所述包埋碳纤维的加热纸制造片状加热器，将聚合物涂层层压到所述加热纸的两个表面上进行电绝缘。当向所述加热纸施加电压而使温度升高时，这种层压于所述加热纸上的聚合物涂层会膨胀。因此，层压在碳纤维含量高的区域的聚合物涂层要比层压在碳纤维含量低的区域的聚合物涂层膨胀得更多。但层压在碳纤维含量高的区域的聚合物涂层的膨胀会受到附近碳纤维含量低的温度更低的区域的聚合物涂层的抑制。这会对层压在碳纤维含量高的区域的聚合物涂层形成压缩应力(compressive stress)，从而可能造成聚合物涂层从所述加热纸上脱层。然后，可能在脱层区域发生电介质击穿，对所述片状加热器的可靠性造成有害影响。
图5到图8描述了本发明为解决由于所述加热纸微观温度不均匀而引起的这一问题的另一种实施方案。在图5和图7中，高热导率的陶瓷纤维(7)和陶瓷粉末(8)如AlN、SiC、Si和BN与碳纤维一起分散来制造加热纸。然后，在碳纤维含量高的区域产生的热可以通过这些高热导率的陶瓷纤维(7)和陶瓷粉末(8)传导到碳纤维含量低的低温区域，从而即使在微观尺度内，整个片状加热器也具有温度均匀性。
用于制造所述加热纸的纸浆(2)的热导率低于1.0W/m-K。与纸浆的低热导率相比，AlN、SiC、Si和BN的热导率要高得多，分别为230W/m-K、270W/m-K、84W/m-K、600W/m-K。因此在加热纸中分散这些陶瓷纤维、陶瓷粉末或它们的混合物后，在加热纸中碳纤维含量高的区域产生的热可以有效地分散到所述加热纸的碳纤维含量低的区域。
当考虑所述导热陶瓷纤维(7)在纸浆中的均匀分散时，本发明导热陶瓷纤维(7)的最适合尺寸与碳纤维相同(直径为5-50μm和长为0.5-20mm)。但尺寸不在这些范围内的导热陶瓷纤维也可用于本发明。当考虑所述导热陶瓷粉末(8)在纸浆中的均匀分散时，本发明导热陶瓷粉末(8)的最适合尺寸为低于1μm。但大于1μm的导热陶瓷粉末也可用于本发明。
在本发明中，AlN、SiC、Si和BN的陶瓷纤维和粉末是作为与碳纤维一起分散的导热介质的例子而提到的。但当其它陶瓷纤维、粉末以及它们的混合物的热导率高于加热纸中纸浆的值时，这些材料或这些材料的混合物也可用于本发明。
图9和图10描述了本发明的片状加热器。所述片状加热器具有层压到所述加热纸(9)各表面上用于电绝缘的聚合物涂层(10)，其中至少有一对电极(3)安装在其纵向或横向边缘上。图9和图10中的片状加热器描述了层压到所述加热纸各表面上的一层聚合物涂层(10)。但根据应用，可以层压两层以上的不同聚合物涂层来制造所述片状加热器。
对于所述片状加热器的聚合物涂层材料，有聚酯、丙烯酰基(acryl)、ABS、纤维素、氟代烃、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、橡胶、聚氯乙烯(PVC)、聚氟乙烯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚氨酯、环氧树脂、环氧树脂/玻璃纤维织物等。
上述聚合物的热导率低至0.1-0.4W/m-K。因此，由于其低的导热性，致使在片状加热器的加热纸上产生的热不容易通过聚合物涂层向外释放，从而降低了所述片状加热器的加热效率。甚至更糟的是，热可能被累积在加热纸(9)和聚合物涂层(10)间的界面上，从而由于加热纸(9)和聚合物涂层(10)间界面上的脱层，致使片状加热器出故障。
图11描述了本发明的一种实施方案，其中陶瓷纤维作为导热介质分散在所述片状加热器的聚合物涂层中。图12还描述了本发明的另一种实施方案，其中陶瓷粉末作为导热介质分散在所述片状加热器的聚合物涂层中。
聚合物涂层(10)的热导率可以通过将具有高热导率的陶瓷纤维(11)和/或陶瓷粉末(12)如AlN、SiC、Si和BN均匀分散在聚合物涂层(10)中而得到提高，从而使所述片状加热器加热效率明显提高。另外，通过防止由于上述界面间脱层造成的故障，可以获得所述片状加热器的长期可靠性。与聚合物涂层的低热导率相比，AlN、SiC、Si和BN的热导率要高得多，分别为230W/m-K、270W/m-K、84W/m-K、600W/m-K。
当考虑所述导热陶瓷纤维(7)在聚合物(9)中的均匀分散时，本发明的导热陶瓷纤维(7)的最适合尺寸为直径5-50μm和长0.5-20mm。但尺寸不在这些范围内的导热陶瓷纤维也可用于本发明。当考虑所述导热陶瓷粉末(8)在聚合物中的均匀分散时，本发明的导热陶瓷粉末(8)的最适合尺寸为低于1μm。但大于1μm的导热陶瓷粉末也可用于本发明。
在本发明中，AlN、SiC、Si和BN的陶瓷纤维和粉末，以及这些纤维和粉末的组合混合物是作为要在聚合物涂层中分散的导热介质的例子而提到的。但当其它陶瓷纤维和粉末以及它们的混合物的热导率高于聚合物涂层(10)的值时，这些材料或其混合物也可用于本发明。
作为本发明的结果，通过应用由包埋碳纤维的加热纸构成的所述加热纸，可以很容易地制造具有不同加热特性的片状加热器，在所述包埋碳纤维的加热纸中，对碳纤维的直线排列进行控制，从而使所述加热纸的纵向和横向具有不同的加热特性。另外，通过使导热陶瓷纤维、粉末以及它们的混合物与碳纤维一起分散在纸浆中，可以改进片状加热器的加热特性和可靠性。另外，通过在层压于加热纸上的聚合物涂层中分散导热陶瓷纤维和粉末，可以改进片状加热器的加热效率和长期稳定性。
权利要求
1.一种包埋碳纤维的加热纸，其中对碳纤维(2)的直线排列进行控制，以使所述加热纸的纵向及横向具有不同的加热特性，从而可以利用所述加热纸制造具有不同加热特性的片状加热器。
2.包括权利要求1的加热纸的片状加热器，将至少一对电极(3)安装在权利要求1的所述加热纸的纵向或横向边缘上，并且将聚合物涂层(10)层压到所述加热纸(9)的各表面上用于电绝缘。
3.权利要求1的包埋碳纤维的加热纸，其中使导热陶瓷纤维(7)、陶瓷粉末(8)或者它们的混合物作为导热介质与碳纤维一起分散，以实现温度均匀。
4.权利要求3的片状加热器，所述加热器包括权利要求3的包埋碳纤维的加热纸。
5.权利要求3的片状加热器，其中导热陶瓷纤维(7)、陶瓷粉末(8)或者它们的混合物作为导热介质分散在聚合物涂层(10)中。
6.权利要求3的片状加热器，其中导热陶瓷纤维(7)、陶瓷粉末(8)或者它们的混合物作为导热介质同时分散在包埋碳纤维的加热纸及聚合物涂层(10)中。
全文摘要
本发明涉及包埋碳纤维的加热纸及其片状加热器。对碳纤维的直线排列进行控制，以使所述加热纸的纵向及横向具有不同的加热特性，从而改进利用所述加热纸的各种适应性。本发明所要提供的加热纸中的纸浆是在碳纤维中制造的，从而其纵向和横向具有加热特性，并且使所要提供的含有聚合物涂层的片状加热器具有电绝缘特性。在需要的情况下，可以由所述片状加热器得到各种特性。
文档编号H05B3/20GK1449639SQ01814729
公开日2003年10月15日 申请日期2001年5月25日 优先权日2000年8月26日
发明者吴泰成, 徐永锡 申请人:株式会社玛吉克尤拉